基于多元智能材料的超轻质软体机械臂大变形致动及变刚度机理研究

The rigid robots can’t make large deformation to adapt to some special environments. In this project, a conception was proposed and applied to soft robot, which is to take large deformations of a structure as actuators to improve the adaptability of robots, and the robot is just a quite simple frame structure. The large deformation is realized by dielectric elastomer, and the rigidity of the structure can be changed by shape memory polymer, so the robot has both of advantages: flexible and strong. The idea is applied to design soft manipulator and the principle is analyzed. Considering the obvious mechanism characteristics of the structure with multi DOF and large deformation, a mechanical model is established by integration of two methods: structural analysis and mechanism analysis, namely, the relationship between structural deformations and mechanism motions can be obtained based on equivalent treatment of results of the structural finite element analysis. The coupling relationship between the electric field of dielectric elastomer and structural deformation is analyzed, based on this the systematic dynamics model is established as well. Synthesizing the influences of electric field and temperature field, the dynamics rigidity model is established, based on the model, a method to control the rigidity can be given. Finally, the process to fabricate the soft manipulator is developed. Results of the project will improve the developments of soft robotics, super-light manipulator and the robot that is working in some motion-limited environments.

针对刚性机器人变形适应能力的不足，将柔性结构大变形驱动方式引入到软体机器人的机构设计中，提出一种利用多元智能材料提升机器人性能的构想：直接用框架结构作为机器人本体、利用介电弹性体使框架产生大变形进而实现机器人的运动、利用形状记忆聚合物使框架刚度可变、从而使机器人同时具有软体的大变形能力和刚体的大负载能力。将该构想用于超轻质软体机械臂的探索并对其大变形致动和变刚度机理展开研究。鉴于该类多自由度大变形结构所具有的明显机构学特征，融合结构分析和机构分析的方法，将结构有限元分析结果在机构学层面进行等效，建立软体机械臂的力学模型。分析介电弹性体薄膜充放电与结构变形之间的耦合关系，建立系统的机电耦合动力学模型。建立电场、温度场耦合作用下机械臂的变刚度模型，进而研究其刚度调控策略。探索该类型软体机械臂的制备工艺。研究结果对软体机器人、复杂受限环境作业机器人和超轻质机械手的发展具有重要意义。

针对刚性机器人变形适应能力的不足，本项目将柔性结构大变形驱动方式引入到软体机器人的机构设计中，提出了一种利用结构大变形实现机械臂运动的构想：直接用框架结构作为机器人本体、利用介电弹性体使框架产生大变形进而实现机械臂的运动。机械臂的臂长320毫米，重量仅为18克。为使机器人同时具有强的变形适应能力和较大的负载能力，利用变刚度的方案来解决这一矛盾，具体采用低熔点合金相变的方式来实现大范围刚度变化。为提高相变速度，项目提出了一种基于低熔点合金填充螺旋形铜管缝隙的可变刚度结构，这种结构需要的低熔点合金量很少，因为只需要其充满铜管缝隙；但其相变后引起的结构刚度变化却很大，因为其液态时结构体为弹簧，而其固态时结构体变成空心圆柱结构。铜管内部还可以通入热介质，这种缝隙结构同时也保证了热介质与低熔点合金之间热交换的强度。所制成的机械臂刚度变化倍数在50倍以上，机械臂由刚到柔的转换时长约为9s，由柔到刚的转换时长约为14s，在指标上较文献中已公开的数据具有明显优势。鉴于该类多自由度大变形结构所具有的明显机构学特征，融合结构分析和机构分析的方法，将结构有限元分析结果在机构学层面进行等效，建立了软体机械臂的力学模型。分析介电弹性体薄膜充放电与结构变形之间的耦合关系，建立了系统的机电耦合力学模型。建立了温度场作用下机械臂的变刚度模型，进而实现了其刚度调控。本项目还探索了该类型软体机械臂的制备工艺。项目研究结果对软体机器人、复杂受限环境作业机器人和超轻质机械手的发展具有重要意义。